砂泥巖埋藏過程孔隙度演化特征探討

劉琳琳，張金功，吳春燕

(西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西 西安 710069)

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砂泥巖埋藏過程孔隙度演化特征探討

劉琳琳，張金功，吳春燕

(西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西 西安 710069)

[摘要]砂泥巖的孔隙演化規(guī)律對油氣成藏機理研究具有重要意義，通過大量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及實驗模擬研究資料分析，認為砂泥巖埋藏過程孔隙度演化具有差異性和階段性兩方面的特征，即砂泥巖埋藏過程孔隙度演化普遍發(fā)育兩種類型的孔隙度-深度曲線，且兩者的演化形態(tài)都具有階段性，正常壓力條件下的孔隙度演化經(jīng)歷快速壓實、緩慢壓實和停滯壓實3個階段；而欠壓實條件下的孔隙度演化過程則經(jīng)歷快速壓實、平穩(wěn)壓實、較快壓實和緩慢壓實4個階段。在欠壓實條件下的孔隙度演化過程中，沉積相、成巖作用等因素對每個階段的深度-孔隙度曲線變化特征的影響程度有所差異，一般是一種主要影響因素和多種次級影響因素綜合作用的結果。

[關鍵詞]孔隙度；埋藏過程；正常壓實；欠壓實

孔隙度是儲層評價的重要參數(shù)之一，也是控制油氣運移的關鍵因素之一，分析地史過程中的孔隙演化規(guī)律對油氣成藏機理研究具有重要意義[1-3]。儲層孔隙的演化規(guī)律受沉積相、成巖作用、構造演化史、熱史及油氣生成史等諸多因素共同控制[2-7]。

1砂泥巖埋藏過程孔隙度演化特征

1930年，Athy[8]指出，正常壓實條件下孔隙度與埋深存在指數(shù)關系，此后大量研究證實了壓實作用是各種碎屑巖孔隙演化的主要控制因素[9-11]。劉震指出碎屑巖壓實過程中時間也是主要影響因素之一，孔隙度是埋深和時間的雙元函數(shù)[7]。經(jīng)過大量的實際資料統(tǒng)計和物理實驗模擬研究，可以發(fā)現(xiàn)孔隙度隨深度的演化具有明顯的差異性和階段性演化特征。

1.1砂泥巖埋藏過程孔隙度演化差異性

不同地區(qū)，不同沉積環(huán)境發(fā)育的地層，在埋藏過程中的孔隙度演化特征存在差異，經(jīng)研究其在成巖過程中分別經(jīng)歷兩種類型的壓實作用：正常壓實和欠壓實，從而發(fā)育兩種孔隙度-深度曲線。壓實作用指沉積物沉積后在其上覆水層或沉積層的重荷下，或在構造形變應力的作用下，發(fā)生水分排出、孔隙度降低、體積縮小的作用。泥質巖類在壓實過程中由于壓實流體未能及時排出或排出受阻，孔隙體積不能隨壓力變大而變小，使其中流體也承受了上覆地層的負荷，出現(xiàn)孔隙流體壓力高于相應靜水壓力的現(xiàn)象。產(chǎn)生該現(xiàn)象的過程叫欠壓實作用。

1.1.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

Mc Culloh(1967)[11]和Selley(1978)[9]分析了許多地區(qū)砂巖、泥巖孔隙度與埋深關系的資料，認為不論砂巖還是泥巖，其孔隙度都是隨埋深的增加總體呈現(xiàn)逐漸減小的，淺部(500 m以上)孔隙度急劇降低，深部(3 000 m以下)孔隙度變化很小(圖1和圖2)，演化特征符合爭產(chǎn)壓實條件下的孔隙度演化特征?，F(xiàn)在普遍認為，砂質沉積物在埋藏深度較小時，顆粒為松散堆積，孔隙度很高，隨著埋深的加大，特別是在壓實初期的淺部，孔隙度降低很快。當埋藏到一定深度后，由于顆粒之間已緊密接觸，加之膠結作用的產(chǎn)生，砂巖的孔隙度變化相對較慢。

圖1　沉積巖總孔隙度和埋深關系圖(據(jù)McCulloh，1967)

郭秋麟等[12]對國內外泥頁巖孔隙度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。國外大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，泥頁巖在埋藏過程中孔隙度隨深度增加而變小(圖3)，部分曲線的數(shù)值在某個特殊階段會有所變大，但在這之后會繼續(xù)變小或保持穩(wěn)。國內泥頁巖孔隙度統(tǒng)計數(shù)據(jù)也揭示出與國外相似的演化規(guī)律，從圖4中可以看到兩種類型的曲線，正常壓實型和欠壓實型。不同類型的沉積盆地甚至同一盆地內的不同沉積單元都有可能發(fā)育不同類型的孔隙度演化曲線。例如我國東部的渤海灣盆地就普遍發(fā)育欠壓實型孔隙度演化曲線[13]。

圖2　孔隙度和埋深關系圖(據(jù)Selley，1978)

砂泥巖埋藏過程孔隙度演化差異性還體現(xiàn)在孔隙度的變化速率上。不管是相同類型還是不同類型的孔隙度演化曲線，其發(fā)育的地區(qū)不同、地層存在差異時，孔隙度變化速率差別很大，這就導致同一深度不同曲線的孔隙度數(shù)值相差很大。

圖3　國外泥頁巖孔隙度隨埋深變化趨勢統(tǒng)計結果

圖4　國外泥頁巖孔隙度隨埋深變化趨勢統(tǒng)計結果

1.1.2實驗模擬分析

貝豐等[14]在實驗室對干粘土、干純石英砂及其混合物做了壓實模擬實驗，得出的壓實曲線特征變現(xiàn)為，總體上比較平滑，淺層(500 m以下)壓實比較快，中深層(500 m以上)壓實曲線則非常平直。陳發(fā)景等[15]對現(xiàn)代淤泥和3個不同盆地的古代泥巖沉積物分別進行了壓實模擬實驗，結果表明：不論是現(xiàn)代沉積物還是古代沉積物，壓實初期其孔隙度均快速減小，到達一定深度(200 m左右)以后，孔隙度-埋深曲線變得平直。上述模擬實驗得出的孔隙度-深度曲線符合實際統(tǒng)計中的正常壓實條件下的壓實曲線。

對比沉積盆地實際地層條件與室內物理模擬實驗的兩種壓實曲線，其主要差別在于：(1)實際地層條件系正常壓實趨勢一般可延伸至2 000以下；但室內物理模擬實驗室時，一般不超過500 m。(2)實際地層條件下壓實曲線在2 000 m以下會出現(xiàn)欠壓實現(xiàn)象，但室內物理模擬實驗室，沒有出現(xiàn)地層欠壓實現(xiàn)象。

20世紀80年代初期，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了埋藏時間對地層孔隙度的重要影響。Schmoker[16]發(fā)現(xiàn)砂巖孔隙度與熱成熟度之間時冪函數(shù)關系。Bloch[17]研究表明，在正常壓力條件下巖性相似的砂巖孔隙度是其熱歷史(用鏡質體反射率表示)的函數(shù)。劉震等[7]研究表明，埋藏時間對地層孔隙度的影響與埋深同樣重要。由于地層熱成熟度是地溫歷史和經(jīng)歷地質時間的雙重函數(shù)，故可推斷，很多人的研究結果都表明了地層孔隙度與埋藏時間有關。

根據(jù)前人對孔隙度演化影響因素的研究，郭秋麟[12]等對成巖實驗進行改進，延長實驗時間，加壓的同時加溫，并保留少量孔隙水，伴隨有生油、氣現(xiàn)象。對實驗數(shù)據(jù)進行時間校正，得到的孔隙度約為原來的60%～80%，深度-孔隙度曲線位于實際統(tǒng)計資料的欠壓實區(qū)一側，反應了壓實-生烴-超壓的欠壓實過程。

綜上所述，前人在孔隙度演化實驗模擬的研究中，也得出了兩種不同類型的孔隙度-深度演化曲線：正常壓實型和欠壓實型，表明一個地區(qū)超壓的發(fā)育與否，導致孔隙度-深度曲線類型存在差異。

1.2砂泥巖埋藏過程孔隙度演化階段性

Allen等[18]認為孔隙度變化受許多因素影響，包括巖性、巖相(顆粒大小、分選、泥質成分)、框架顆粒的組成、溫度(膠結作用、黏土礦物轉化和壓溶作用)和時間，每一個演化階段的主要影響因素都不同，很難用單一的線性關系表示整個演化過程，但是在某一深度段可以用最簡單的線性關系表示。大量研究表明，孔隙度的演化源于地層成巖作用的演化[19-23]，而成巖過程中各種物理化學作用的種類和影響程度不同，因此對地層孔隙度變化的疊加影響在時間域和深度域上存在階段性，這就導致砂泥巖埋藏過程孔隙度演化階段性特征。

經(jīng)大量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計和實驗室模擬分析，可將碎屑巖埋藏過程孔隙度演化劃分為兩種類型，正常壓力條件下的孔隙度演化過程經(jīng)歷A→B→C→D,即快速壓實、緩慢壓實和停滯壓實3個階段；而欠壓實條件下的孔隙度演化過程經(jīng)歷1→2→3→4→5，即快速壓實、平穩(wěn)壓實、較快壓實和緩慢壓實4個階段[12,24](圖5)。

圖5　正常壓實與欠壓實泥頁巖孔隙演化對比

2砂泥巖欠壓實條件下孔隙度演化各階段影響因素

欠壓實作用作為埋藏壓實作用的常見類型對儲層物性的控制起到至關重要的作用，前人對欠壓實作用與碎屑巖埋藏過程孔隙度演化之間的相關性及其應用做了大量的研究工作。陳荷立[25]通過泌陽凹陷為例提出有機質成熟后的異常壓實段，決定該區(qū)油氣初次運移的可能深度。在異常壓實段中的快速壓實帶是油氣初次運移的最有利的深度段。此后，何炳駿，盧書鍔等[13、26]分別對華北蘇北地區(qū)壓實作用與油氣運移進行了探討。王行信[27]通過對松遼盆地白堊系泥巖的壓實分析，提出欠壓實泥巖的壓力封閉作用，是形成油氣蓋層封閉的根本因素，泥巖欠壓實帶的分布特征決定了盆地油氣運移的方向和特征。陳荷立[28、29]進行了泥巖壓實曲線與油氣運移條件分析，并通過泥巖的壓實對地層壓力信息和埋藏史的恢復進行了探討。陳發(fā)景[30]出版的《壓實與油氣運移》一書以我國東部幾個盆地為例，從泥巖壓實和孔隙壓力研究的基本方法和壓實機理油氣運移及有機地球化學資料應用等幾個方面著手，研究了斷陷盆地中油氣運移的特征并對油氣運移量進行了計算，最后列出結果。此后的研究主要針對不同地區(qū)的壓實與油氣運移的關系研究，通過建立泥巖壓實動態(tài)地質模型對石油初次運移進行了定量研究。因此欠壓實條件下的孔隙度演化特征以及發(fā)育狀況研究至關重要，下面是每個階段的深度-孔隙度曲線特征，以及曲線變化的主要影響因素和次一級影響因素。

1)快速壓實階段

這一階段的孔隙度-深度曲線特征是：曲線較為平滑，次一級波動較少，其斜率主要受沉積相、埋藏速率控制。沉積物在埋藏深度較小時，顆粒間是松散堆積，孔隙度等值線與沉積相吻合度較高。這一階段，成巖作用以機械壓實作用為主，碎屑巖孔隙度隨埋深下降速度較快，主要引起碎屑顆粒堆積方式的改變和部分顆粒的塑性變形，軟組分擠入孔隙，沉積物的孔隙度和滲透率迅速降低。壓實作用是主要永祥因素，巖性則是次一級影響因素。

2)平穩(wěn)壓實階段

這一階段的孔隙度-深度曲線表現(xiàn)為較為豎直的一段，次一級波動較多。泥質巖類在壓實過程中由于壓實流體未能及時排出或排出受阻，孔隙體積不能隨壓力變大而變小，使其中流體也承受了上覆地層的負荷，容易出現(xiàn)孔隙流體壓力高于相應靜水壓力的現(xiàn)象。超壓的成因很多[31-34]：生烴作用、差異壓實作用、構造作用和水熱作用等，其中，生烴作用和差異壓實作用是最主要的兩種成因[35-37]。超壓和欠壓實，使孔隙度減少損失，據(jù)統(tǒng)計，典型的泥頁巖層孔隙度減少損失量可以達到5%～17%。

這一階段，砂泥巖受超壓和欠壓實作用的影響，殘留部分原始孔隙，壓實作用的影響減弱。而膠結物的生產(chǎn)與否、溶蝕作用、巖性差異、巖石結構等決定曲線的次一級波動狀況。

3)較快壓實階段

此階段為平穩(wěn)壓實段與緩慢壓實階段之間的過渡階段，孔隙度-深度曲線特征為曲線斜率較大，所處的深度范圍較小。隨著埋深的加大、生烴的結束以及巖石破裂造成的壓力釋放，欠壓實和超壓現(xiàn)象逐漸消失，孔隙度減少作用也隨之消失，壓實作用使得孔隙度迅速減小。

在這一階段的孔隙度演化中，壓實作用重新成為主控因素，孔隙度減小速率加快。

4)緩慢壓實階段

這一階段，沉積碎屑已變得較為致密，顆粒之間多為線、面接觸，受壓實作用的影響，地層孔隙度以較為緩慢的速度不斷減小。

3結語

(1)砂泥巖隨埋深過程的孔隙度演化具有差異性特征，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是不同地區(qū)、不同沉積單元地層的孔隙度-深度曲線類型存在差異，按超壓的存在與否分為正常壓實型和欠壓實型兩種類型；二是孔隙度的變化速率存在差異，不管是相同類型還是不同類型的孔隙度演化曲線，其發(fā)育的地區(qū)不同、地層存在差異時，孔隙度變化速率差別很大，這就導致同一深度不同曲線的孔隙度數(shù)值相差很大。

(2)砂泥巖隨埋深過程的孔隙度演化具有階段性特征，正常壓力條件下的孔隙度演化過程經(jīng)歷快速壓實、緩慢壓實和停滯壓實3個階段；而欠壓實條件下的孔隙度演化過程經(jīng)歷快速壓實、平穩(wěn)壓實、較快壓實和緩慢壓實4個階段。

(3)現(xiàn)今的孔隙度剖面只是地層在現(xiàn)今這個時間點上的一個瞬時特征，并不代表地層在時間域內從沉積開始演化到現(xiàn)今的完整過程。

(4)碎屑巖孔隙度與埋深和時間的函數(shù)關系到底是怎樣的，還有待進一步研究和探討。

(5)巖石成分與成巖作用之間的相互影響關系，能否通過巖石成分預測可能發(fā)生的成巖作用，或通過已有的成巖序列了解地層巖石組成還有待進一步研究。

(6)碎屑巖孔隙度演化在平面上的特征及其影響因素研究還較為薄弱。

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[收稿日期]2015-09-02

[作者簡介]劉琳琳(1991-)，女，山東濰坊人，在讀碩士研究生，主攻方向：石油與天然氣勘探。

[中圖分類號]P588.21+2.3

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)01-0186-04